硬件的组成

• 冯诺依曼机的特点：

  • 计算机由五大部件组成

    • 输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器

  • 指令和数据以同等地位存储在存储器中，并按地址询问

    • 指令和数据均以二进制代码表示

      • CPU区分指令和数据的依据是指令周期的不同阶段
      • 数据由指令的地址码给出

  • 指令=操作码+地址码。操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置

  • 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序

  • 早起冯诺依曼机以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据

  • 是单处理机

  • 基本工作方式是控制流驱动方式

  • 

• 现代计算机的特点：

  • 计算机 = 主机+输入/输出设备

  • 主机 = CPU+主存

  • CPU = 运算器+控制器

    • 运算器：算术运算和逻辑运算
    • 控制器：指挥各部件使得程序执行

  • 存储器：存放数据和指令（核心）

  • 输入设备：将信息转换为机器能够识别的形式

    • 鼠标、摄像头

  • 输出设备：将结果转换为人们熟悉的形式

    • 显示器、音响

  • 以主存储器为核心

  • 

  • 

存储器

存储器包括MAR、MDR、时序控制逻辑、存储体 存储体如图可见由若干个存储元(unit)组成 相关知识：

• 存储元：存储二进制的电子元件，每个存储元可以存1bit
• 存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
• 存储字：存储单元中二进制代码的组合
• 存储字长：存储单元中二进制代码的组合
• 机器字长：计算机能一次处理的二进制代码长度
• 指令字长：指令的二进制长度
• 数据字长：数据总线一次能并行传送信息的次数
• MAR(地址寄存器)：用于寻址，位数=存储单元的个数/地址码的长度（现代计算机已经把MAR放到CPU中）
• MDR(数据寄存器)：用于暂存数据，位数=存储字长
• 时序控制逻辑：用于产生存储器操作所需的各种时序信号

1个字(word)=16bit(不同计算机可能不同) 1个字节(1Byte)=8bit 1B=8b

运算器

• ACC(Accumulator): 累加器，用于存放操作数，或运算结果
• MQ(Multiple-Quotient Register): 乘商寄存器，在乘除运算时用于存放操作数或运算结果
• X: 通用的操作数寄存器，用于存放操作数
• ALU(Arithmetic and Logical Unit): 算术逻辑单元，是运算器的核心

控制器

• PC: 程序计数器，存放下一条指令的地址，并跟踪下一条要执行的指令的地址
• IR: 指令寄存器，存放当前正在执行的指令
• CU: 控制单元，分析指令，给出控制信号

计算机系统的细节

• CPU: 中央处理器
• PC: 程序计数器
• MAR: 存储器地址寄存器
• ALU: 算术逻辑部件
• IR: 指令寄存器
• MDR: 存储器数据寄存器
• GPRs: 通用寄存器组（由若干通用寄存器组成，早起就是累加器）

程序执行过程：

• 例子：

  • 下面的过程用这段C++代码举例说明

  xxxxxxxxxx
  4
  1
  int a=2, b=3, C=1.y=0;
  2
  void main(){
  3
    y=a*b*c;
  4
  }
  

• 程序执行前

  • 数据和指令事先存放在存储器中，每条指令和每个数据都有地址，指令按序存放，指令由OP(操作码)、ADDR(地址码)字段组成，PC指向第一条指令

    • 指令就像取件码，指令参考下图内存的状态，0-4号为操作码，也就是代码逻辑
    • 数据就是快递包裹，5-8号为数据

  • 此时内存的状态为

  • 加小括号指元件内的数据，如(MAR)指MAR里的内容

  • (PC)->MAR指PC中的数据存放到MAR中

  • M(MAR)->MDR指主存储器中MAR的数据放到MDR中

• 程序执行

  1. (PC)=0，指向第一条存储地址

     1. (PC)->MAR，导致(MAR)=0

     2. 主存储器会根据(MAR)在存储体中寻找0号位置的数据

     3. 然后将存储体中0号位置的数据放到MDR中，M(MAR)->MDR，此时(MDR)=000001 0000000101

     4. (MDR)->IR, (IR)=000001 0000000101

        • MDR拿到指令，返回给IR指令寄存器

     5. OP(IR)->CU，IR将操作码给CU，CU判断操作码是取数指令

     6. CU控制IR将地址码 发送给MAR，Ad(IR)->MAR，导致(MAR)=5

        • (MAR)=0000000101=5

     7. MAR去存储体中取5号地址的数据，

     8. 将数据返回给MDR，M(MAR)->MDR，导致(MDR)=0000000000000010=2

     9. (MDR)->ACC，MDR将数据送到ACC

  2. 到此就把a读到ACC中等待后面的指令执行，PC会自动+1，(PC)=1，然后循环1-9步直到(PC)=4执行后停止

     1. (PC)->MAR，导致(MAR)=1

     2. 主存储器会根据(MAR)在存储体中寻找1号位置的数据

     3. 然后将存储体中1号位置的数据放到MDR中，M(MAR)->MDR，此时(MDR)=000100 0000000110

     4. (MDR)->IR, (IR)=000100 0000000110

        • MDR拿到指令，返回给IR指令寄存器

     5. OP(IR)->CU，IR将操作码给CU，CU判断操作码是乘法指令

     6. CU控制IR将地址码 发送给MAR，Ad(IR)->MAR，导致(MAR)=6

        • (MAR)=0000000110=6

     7. MAR去存储体中取6号地址的数据，

     8. 将数据返回给MDR，M(MAR)->MDR，导致(MDR)=0000000000000011=3

     9. (MDR)->MQ，导致(MQ)=0000000000000011=3

        • 关于乘法运算，被乘数3会被放到MQ，乘数会被放到通用寄存器X，ALU会实现乘法运算然后放到ACC

     10. (ACC)->X，导致(X)=2

     11. (MQ)*(X)->ACC，由ALU实现乘法运算，导致(ACC)=6，如果乘积太大，则需要MQ辅助存储

  3. 到此执行完a*b，(PC)=2

     1. (PC)->MAR，导致(MAR)=2

     2. 主存储器会根据(MAR)在存储体中寻找2号位置的数据

     3. 然后将存储体中2号位置的数据放到MDR中，M(MAR)->MDR，此时(MDR)=000011 0000000111

     4. (MDR)->IR, (IR)=000011 0000000111

        • MDR拿到指令，返回给IR指令寄存器

     5. OP(IR)->CU，IR将操作码给CU，CU判断操作码是加法指令

     6. CU控制IR将地址码 发送给MAR，Ad(IR)->MAR，导致(MAR)=7

        • (MAR)=0000000111=7

     7. MAR去存储体中取7号地址的数据，

     8. 将数据返回给MDR，M(MAR)->MDR，导致(MDR)=0000000000000001=1

     9. (MDR)->X，导致(X)=0000000000000001=1

     10. (ACC)+(X)->ACC，导致(ACC)=7，由ALU实现加法运算

  4. 到此执行完a*b+c，(PC)=3

     1. (PC)->MAR，导致(MAR)=3

     2. 主存储器会根据(MAR)在存储体中寻找3号位置的数据

     3. 然后将存储体中3号位置的数据放到MDR中，M(MAR)->MDR，此时(MDR)=000010 0000001000

     4. (MDR)->IR, (IR)=000010 0000001000

        • MDR拿到指令，返回给IR指令寄存器

     5. OP(IR)->CU，IR将操作码给CU，CU判断操作码是存数指令

     6. CU控制IR将地址码 发送给MAR，Ad(IR)->MAR，导致(MAR)=8

        • (MAR)=0000001000=8

     7. (ACC)->MDR，导致(MDR)=7

     8. MAR等MDR拿到数据后会在存储体中找到8号位置

     9. 将(MDR)放到地址为8的存储单元，导致y=7

  5. 此时执行完y=a*b+c，(PC)=4

     1. (PC)->MAR，导致(MAR)=4

     2. 主存储器会根据(MAR)在存储体中寻找4号位置的数据

     3. 然后将存储体中4号位置的数据放到MDR中，M(MAR)->MDR，此时(MDR)=000110 0000000000

     4. (MDR)->IR, (IR)=000110 0000000000

        • MDR拿到指令，返回给IR指令寄存器

     5. OP(IR)->CU，IR将操作码给CU，CU判断操作码是停机指令

     6. (利用中断机制通知操作系统终止该进程)

  6. 到这里程序已经执行完毕，其中

     1. 1-4步均为取指令操作(必经步骤)
     2. 5步均为分析指令操作(必经步骤)
     3. 6-最后一步均为执行 取/乘法/加法/存 等指令(不同指令的具体步骤不同)
     4. 计算机只有识别到停机指令后才会通知操作系统终止该进程

计算机软件

三个级别的语言

• 机器语言

  • 计算机唯一可以直接识别和执行的语言

• 汇编语言

  • 由汇编程序(系统软件)翻译为机器语言后再执行

• 高级语言

  • 一种是经过编译程序得到汇编语言，然后得到机器语言在执行

    • 编译型语言，如Java，C，C++
    • 高级语言->汇编语言->机器语言

  • 一种是由高级语言程序直接翻译成机器语言

    • 解释型语言，如python，javascript
    • 高级语言->机器语言

翻译程序

• 汇编程序（汇编器）

  • 汇编语言-->机器语言

• 解释程序（解释器）

  • 边解释边执行

• 编译程序（编译器）

  • 高级语言-->汇编语言-->机器语言